论文总字数：30310字

摘 要

近年来，分布式发电系统随着可再生能源发电的迅速普及而得到日益广泛的应用。分布式发电系统接入的中低压等级配电网一般具有较高的电网阻抗和电网背景谐波等弱电网特性。在此条件下，带LCL滤波器的并网逆变器系统容易出现谐振的问题，导致系统故障以及安全事故的发生。因此，研究弱电网条件下LCL逆变器并网系统的谐振机理及其抑制策略具有重要的意义，是电力电子化电力系统逆变器级关键问题之一。本文首先对LCL型逆变器并联并网系统建立开环阻抗模型，详细讨论LCL滤波器固有的谐振特性以及电网阻抗对系统谐振特性的影响。实际并网逆变器采用闭环控制，对并网逆变器系统的稳定性造成影响。建立闭环小信号等效电路模型，证明系统的稳定性与电网阻抗以及逆变器闭环等效输出阻抗有关。由此提出在电网阻抗不变的假设情况下，通过调整逆变器闭环输出阻抗使系统稳定的方法。进而，采用全状态反馈 准比例谐振控制器 电压前馈的混合控制方法作为系统中逆变器单元的控制方案。全状态反馈控制用于调整逆变器单元的输出阻抗，准比例谐振控制器可以实现系统无静差控制，同时防止电网允许范围内的频率偏移的干扰，电压前馈控制能够抑制电网背景谐波。最后MATLAB 仿真验证了本文采用的混合控制方法对于谐振抑制及谐波消除策略的有效性。

关键词：弱电网，并网逆变器，LCL滤波器，谐振

Abstract

In recent years, with the development of renewable energy power generation, distributed generation(DG) system has emerged. The DG system is generally connected with MV/LV power distribution network in the grid-connected inverter, which generally presents the weak grid characteristics with high grid impedance and high grid background harmonic content. However, there are resonant problems between LCL grid-connected inverter and grid under weak grid condition, which frequently leads to system failure. Therefore, it is of great significance to study the resonant mechanism and suppression strategy of multiple LCL inverter under weak grid condition for the stable operation of DG system，which is one of the key problems about inverter in power electronic power system. This paper firstly builds the open loop impedance model of LCL parellel grid-connected inverter system, analyzes the resonance mechanism and rule, and discusses the inherent resonant characteristics of LCL filter and grid impedance’s effect on the resonant characteristics of the system in detail. Secondly, considering the influence of the inverter closed-loop control on the system stability, closed-loop small signal equivalent circuit model is established, based on which the system stability’s connection with grid impedance and inverter closed-loop equivalent output impedance is proved. Accordingly, the method to stabilize the system by adjusting the closed-loop output impedance of the inverter is proposed. Then, the control scheme of the inverter unit is adopted which consists of the full state feedback, quasi-proportional resonance (QPR) controller and voltage feedforward control. The full state feedback control is applied to adjust the output impedance of the inverter control unit, the QPR controller is used to eliminate the system static error and to prevent the interference of grid frequency deviation, the voltage feedfoward control is used to suppress the grid background harmonics. Finally, MATLAB simulation verifies the effectiveness of the hybrid control scheme for resonant suppression and harmonic elimination.

KEY WORDS: weak grid, grid-connected inverter, LCL filter, resonance

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪言 1

1.1课题研究背景 1

1.2弱电网中的谐振问题研究 1

1.3内容安排 3

第二章 多机并联系统开环谐振机理分析 5

2.1引言 5

2.2单逆变器开环阻抗模型 5

2.2.1带LCL滤波器的单机并网逆变器结构 5

2.2.2单机开环阻抗模型分析 6

2.3多逆变器开环阻抗模型 8

2.3.1多逆变器并联系统结构 8

2.3.2多机开环阻抗模型 9

2.3.3多机系统开环模型谐振机理及其规律分析 12

2.3.4多机系统并网电流 15

第三章 多机并联系统闭环控制建模分析 17

3.1引言 17

3.2闭环小信号等效电路模型分析 17

3.2.1闭环小信号等效电路建模方法 17

3.2.2多机系统闭环模型分析 19

3.3逆变器并网单元闭环控制方法 22

3.3.1逆变器控制方法选择 22

3.3.2全状态反馈控制 23

3.3.3准比例谐振控制 28

3.4输出阻抗建模及稳定性分析 31

第四章 时域仿真 36

4.1谐波抑制测试 36

4.2指令电流突变下的谐振抑制 39

4.3电网电压突变时的谐振抑制 39

4.4其他逆变器切入的影响 40

第五章 总结 42

致 谢 43

参考文献 44

1. 绪言

1.1课题研究背景

随着国民经济的飞速发展，对电力的需求也水涨船高，随之需要不断扩大电网规模。传统的电力系统大多为大功率集中式，利用数量较少地大型电厂进行发电。随着电网规模的扩大，集中式发电的弊端也显现出来。同时由于以风能和太阳能为代表的可再生能源能有效地缓解电能紧张以及可再生能源的资源分散的特点，分布式发电系统受到越来越广泛的关注。分布式发电系统产生的直流电能不能直接送到电网之中，必须要经过逆变器等电力电子装置做一些交直流变换处理转化为标准交流电能，才能接入电网或负载。随着新能源和微网技术的发展，电力系统的大范围电力电子化是必然趋势，而电力电子装置在电力系统中的主要应用体现在变流器。因此，并网逆变器作为连接分布式发电系统与传统电网的接口，将在并网分布式发电系统中发挥核心作用。随着光伏并网电站容量的不断扩大，越来越多的光伏电站采用了多逆变器并联并网的结构，以优化配置逆变器容量，提高系统的供电能力以及改善其性能。而单个并网逆变器一般采用LCL作为输出滤波器，其输出回路构成高阶网络，这不仅可能放大逆变器输出电流谐波，影响并网电能质量，甚至可能会导致多逆变器并联谐振，使得并网电流严重失真。它们都会影响电力系统的稳定性，严重时甚至导致系统的崩溃和安全事故的发生，给人民生活造成较大的影响，给对电力依赖程度较高的行业造成巨大的经济损失。本文将对逆变器并联并网系统进行建模，分析逆变器并网系统的谐振机理与规律，利用基于阻抗的稳定性分析方法分析并网逆变器的运行稳定性。

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